Download Generadores dc compuestos

Instituto Tecnológico de Costa Rica
Escuela de Ingeniería Electromecánica
Curso:: Máquinas Eléctricas para
Curso
Mecatrónica
Profesor:: Ing.
Profesor
Ing. Greivin Barahona Guzmán
Clase VI
Máquinas de Corriente Directa:
Generadores de Corriente Directa
Generalidades
Los primeros indicios de motores eléctricos se
iniciaron con máquinas de CC (1830-1880), luego
surgió la CA y por ende la aparición de máquinas que
operan con corriente alterna (experimento físico).
Sin embargo en la actualidad, existen sistemas que
operan todavía con estos motores eléctricos, en
algunos son muy utilizados al poseer métodos
sencillos de control de torque y velocidad.
Además existen compañías que fabrican sus sistemas
empleando motores de CD.
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Generalidades
La máquina de CC consta de dos devanados alimentados
con CC: uno llamado inductor que está en el estator de la
máquina y otro llamado inducido que está en el rotor.
En el caso de funcionamiento como motor ambos
devanados están alimentados con CC.
En el caso de funcionamiento como generador se
alimenta con CC el estator (excitación) y se obtiene la
FEM por el rotor (armadura) (también continua).
Su funcionamiento se basa en la existencia de un
mecanismo llamado colector de delgas (conmutador) que
convierte las magnitudes variables generadas o
aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.
Se encuentran en muy pocos sistemas, especialmente
por su complejo mantenimiento.
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Generalidades
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Partes principales
Estator: (inductor, campo o de
Constituye la parte fija de la máquina.
excitación):
Proporciona soporte físico a las piezas polares, su
función es suministrar el flujo magnético al bobinado
del rotor. Fabricado de Acero al carbón.
Rotor: (devanado inducido o de devanado de
armadura), Constituye la parte móvil del motor,
proporciona el torque para mover a la carga (motor).
Se conoce inducido, ya que en él se inducen los
voltajes.
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Construcción Mecánica
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Caras polares
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Estator (dev- excitación)
Escobillas : Las escobillas están fabricadas de distintos
materiales como: carbón, grafito y partículas metálicas.
Poseen una dureza menor que la del conmutador para evitar que
éste se desgaste rápidamente.
La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la
fuente de alimentación hacia las delgas del colector y por
consiguiente al bobinado del rotor.
Porta escobillas: es mantener a las escobillas en contacto firme con
los segmentos del colector, mediante resortes, mediante una presión
moderada sobre las escobillas contra el colector.
Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser
excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al
colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se producirá
"chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las
superficies del colector y las escobillas.
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Porta escobillas
2: 2 polos.
4: 4 polos.
6: 6 polos.
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Armadura
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Dev- imbricado vrs
ondulado
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6
Voltaje en una espira
Es una bobina
que se hace
girar
en
un
campo
magnético.
Se induce un
voltaje etot.
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Voltaje inducido en la espira
Los segmentos ad y cd
son perpendiculares al
campo.
No se induce voltaje ahí.
Sólo
los
segmentos
indicados.
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Resultante
Es un voltaje que invierte su polaridad.
Magnitud constante.
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El conmutador
Se coloca un
conmutador
con escobillas.
Igualmente se
hace girar la
espira.
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Voltaje inducido
Es un voltaje de corriente directa.
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Flujo en el campo
La fuerza del campo se
define como:
Amperio x Vuelta
De aquí se deduce el
método para el control de
velocidad de la máquina
de CD.
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Flujo en la armadura
Cuando la armadura es
energizada, se produce un
flujo de campo magnético
de esa forma.
Simétrico.
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Que sucede al agregarle una
carga al generador?
Circula una corriente por el
devanado de armadura.
Producto de esta corriente
aparece
un
campo
magnético,
cuya
circulación del campo se
rige por la Ley de Lenz.
La aparición de este
campo interactúa con el
campo principal (caras
polares), de tal forma que
aparece una fuerza que se
opone a la causa que lo
produjo
(rotación
del
rotor),
provocando
la
reacción del inducido.
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Problemas de conmutación
En las máquinas de DC presenta problemas que
repercuten directamente sobre su funcionamiento,
llamado la reacción del inducido.
La reacción del inducido es una respuesta del
devanado de armadura al circular corrientes por él.
Este efecto causa dos problemas muy importantes.
El primero es desplazamiento del eje magnético
neutro, provocando que la conmutación ocurra
cuando el voltaje inducido no es cero.
El segundo provoca debilitamiento del campo, ya
que, el flujo generado se opone a la causa que lo
produce (reducción voltaje terminal).
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Distorsión del campo
Esta
es
la
distorsión del
campo.
Depende si es
un motor o un
generador CD.
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Solución o mitigación
Existen tres soluciones que corrigen
parcial o total estos efectos:
Desplazamiento de las escobillas.
Polos o interpolos de conmutación
(estator).
Devanados de compensación (rotor).
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Solución a los problemas de
conmutación: Interpolos
Se
colocaron
bobinados entre
los
polos
principales.
Previenen
excesiva chispa.
Polaridad
del
interpolo es la
indicada en la
figura.
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Polaridad incorrecta
Si tienen polaridad
inversa
a
la
debida.
Más bien
incrementa el
problema de
chispas.
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Devanados de compensación
y de conmutación
Con ello, se busca en producir otra segunda
reacción de esta corriente, pero de forma
controlada, es decir, que a medida que se
incremente la carga, se incremente las reacción o el
flujo magnético de estos devanados pero
conectados de tal forma que contrarreste el efecto
anterior.
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Circuito Equiv. Generador dc
a.
b.
Circuito equivalente de un
generador dc.
Circuito
equivalente
simplificado (se elimina la
caída de voltaje en la
escobilla y Radj se combina
con RF).
RA: resistencia del circuito de
armadura.
RF: resistencia del circuito de
campo.
EA: tensión inducida que
aparece en las escobillas a
circuito abierto.
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Curva de saturación
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Generador dc excitación
separada y en derivación
a.
Circuito equivalente de un
generador
dc
con
excitación separada.
b.
Circuito equivalente de un
generador
dc
en
derivación.
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Generador dc excitación
separada
En un generador dc con excitación separada el
circuito de campo es alimentado por una fuente de
potencia separada de voltaje constante.
Para la regulación de tensión terminal, se recurre a
dos métodos o técnicas:
Modificando la velocidad de rotación, lo cual
incrementa el voltaje inducido.EA=kwφ
φ, al variar w.
Variando la corriente de excitación o de
campo(estator), variación del flujo, φ.
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Voltaje terminal
Independiente vrs shunt
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Variación de la resistencia de
campo
EA no es lineal a IF
Vt=EA-IARA
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Generador dc en derivación
En un generador dc en
derivación (shunt) el
circuito
de
campo
obtiene su potencia
directamente de los
terminales
del
inducido del motor
(flujo residual), EA en
vacío, y Vt bajo carga.
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Flujo residual
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La máquina de CC como
generador II
I
Ri
En la generador en derivación la propia
tensión de salida del generador se
utiliza para producir la excitación
Rex
E
Uex
Ui
Uex=Ui
Lex
E Curva de magnetización
Inducido
Inductor
Generador con excitación
derivación
E2
El generador “arranca” gracias al magnetismo
remanente siguiendo un proceso de
E1
E = I ⋅ [R ex + R i ]
AUTOEXCITACIÓN
Magnetismo
remanente
ϕR
Se repite hasta el
pto. de equilibrio
IR =
ER
E2
I1
ER
R ex + R i
E1
Pto. de
equilibrio
ER
Iex
IR
I1
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Regulación en un generador
en derivación
El voltaje terminal se controla mediante:
Control del flujo principal, mediante la velocidad.
Control de la resistencia de campo (Rf).
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Por qué no podría aumentar
Vt?
Posibles explicaciones de las causas:
Ausencia del flujo residual: Si la máquina pasa mucho
tiempo sin operar o si la conexión se invierte podría
perderse el magnetismo residual. Para corregirlo se
recurre al centelleo del campo, o sea, conectar el
devanado de campo a una fuente externa(batería).
Inversión de la dirección de rotación o de las
conexiones: Al operar, el flujo residual produce un
voltaje interno EA y a su vez una corriente, que produce
un flujo que se opone al residual.
Ajuste de la resistencia a un valor superior: Ver figura.
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Resistencia crítica
Ejemplo: según la gráfica si R
es mayor de 200 ohm no se da
una generación de voltaje.
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Generador dc serie
En un generador serie el flujo es directamente
proporcional a la corriente del inducido (al menos
hasta llegar a la saturación).
El inducido maneja mayor corriente, por ende el
devanado de campo debe contar con menos vueltas.
Dev Excitación
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Voltaje terminal
La corriente de campo es cero en vacío, por lo tanto
el voltaje inducido solo depende del flujo residual.
A medida que se incrementa la carga, se eleva con
rapidez el voltaje generado, por lo tanto la carga
controla el flujo generado, y aumentos bruscos de
corriente significaría tensiones altas, aunque
también aumenta las pérdidas, pero a menor
respuesta.
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Generadores dc compuestos
Circuito equivalente del generador dc compuesto en
derivación larga.
Circuito equivalente del generador dc compuesto en
derivación corta.
a.
b.
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Generador dc compuesto
acumulativo
Un generador compuesto es aquel que tiene campo
en derivación y campo en serie.
Puede conectarse en compuesto acumulativo o en
compuesto diferencial, dependiendo de la dirección
de las fuerzas magnetomotrices de los devanados
serie y paralelo.
Esta máquina se diferencia de las demás, ya que,
cuenta con otro devanado extra, que permite
incrementar o reducir la FEM neta.
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Voltaje terminal
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Gráfica total sin regulación
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Gráfica total con regulación
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